一種高精度液體跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計

一種高精度液體跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計

1基于光纖法的液體濃度檢測方法如果液體的折射不適應(yīng)溫度的變化，則與液體濃度呈固定關(guān)系。通常的方法是通過測量液體折射來獲得濃度值。目前測量透明液體的常用方法有邁克耳孫干涉法、牛頓環(huán)法、法布里-珀羅(F-P)干涉法。邁克耳孫干涉法和牛頓環(huán)法是雙光束干涉法,條紋銳度差,不利于測量精度的提高?，F(xiàn)有的采用法布里-珀羅干涉系統(tǒng)透射光譜的波長進行液體濃度的測量,這種方法雖然降低了對光源穩(wěn)定性的要求,但需要采用光譜儀進行光譜分析,這在實際使用中常常是不可行的。目前基于光纖傳感器的位移、應(yīng)變、溫度的測量活躍在各個研究領(lǐng)域,本文提出了一種利用光纖法布里-珀羅干涉儀對液體濃度進行在線檢測的方法,它除了具有光纖傳感系統(tǒng)的抗電磁干擾、耐腐蝕、安全可靠等優(yōu)點外,還具有:1)用CCD接收干涉條紋,判別條紋移動的精度高;2)系統(tǒng)是一個數(shù)字系統(tǒng),被處理的信號可以較大距離傳輸,將測量現(xiàn)場與信號處理場所分開;3)可實現(xiàn)高精度動態(tài)跟蹤測量;4)對CCD輸出的信號二值化處理時采用閾值浮動措施,消除了光強波動帶來的測量誤差。2測量原理2.1法布里-鮑羅干涉儀腔內(nèi)干涉條紋評估圖1是該系統(tǒng)的傳感器結(jié)構(gòu)。G1、G2是兩塊互相平行的石英板,內(nèi)表面鍍有一層高反射膜,反射率R>0.9,為了獲得細(xì)銳的干涉條紋,兩反射面的平面度為1/20~1/100波長,平行度為1/10~1/20波長,腔內(nèi)是被測液體,光源是He-Ne激光器,波長是0.6328μm,L1為準(zhǔn)直透鏡,透鏡L2將干涉條紋成像在其焦平面上,在焦平面中心處干涉條紋波長、級次與待測液體折射率有如下關(guān)系:2nd=kλ,(1)2nd=kλ,(1)其中n、d、k、λ分別為法布里-珀羅腔內(nèi)介質(zhì)折射率、法布里-珀羅干涉儀腔長、干涉級次和激光波長。2.2求取2.2細(xì)胞系數(shù)n,k在一定溫度下,液體的折射率隨液體濃度的變化而變化,如果將該溶液填充到法布里-珀羅腔內(nèi),其折射率的變化會使法布里-珀羅干涉儀的等傾同心圓環(huán)條紋移動。當(dāng)折射率變大時,干涉條紋從中心向外冒出,條紋變密,當(dāng)折射率變小時,條紋內(nèi)陷,從中心一一消失,條紋變寬,通過測量條紋移動量,并判斷它的移動方向,就可以獲得液體折射率的變化量。液體折射率與濃度的關(guān)系滿足對數(shù)混合法則:lgn=V1V1+V2lgn1+V2V1+V2lgn2,(2)lgn=V1V1+V2lgn1+V2V1+V2lgn2,(2)式中V1、V2分別為混合前溶質(zhì)(乙醇)和溶劑(水)的體積,n1、n2分別為溶質(zhì)和溶劑的折射率,n為混合后液體的折射率。若混合后液體的質(zhì)量為m,溶質(zhì)(乙醇)和溶劑(水)的體積為V1、V2,體密度分別為ρ1、ρ2,則有m=V1ρ1+V2ρ2m=V1ρ1+V2ρ2液體的溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為c(n)=V1ρ1V1ρ1+V2ρ2,(3)c(n)=V1ρ1V1ρ1+V2ρ2,(3)由(2)式得V2=V1lg(n1/n)lg(n/n2),(4)V2=V1lg(n1/n)lg(n/n2),(4)將(4)式代入(3)式得c(n)=ρ1(lnn?lnn2)ρ2lnn1?ρ1lnn2+(ρ1+ρ2)lnn,(5)c(n)=ρ1(lnn-lnn2)ρ2lnn1-ρ1lnn2+(ρ1+ρ2)lnn,(5)對(5)式兩邊微分得Δc(Δn)=ρ1[ρ2lnn1?ρ1lnn2+(ρ1?ρ2)lnn]?(ρ1?ρ2)ρ1(lnn?lnn2)[ρ2lnn1?ρ1lnn2+(ρ1?ρ2)lnn]2Δn,(6)對(1)式兩邊微分得Δn=λ2dΔk,(7)Δc(Δn)=ρ1[ρ2lnn1-ρ1lnn2+(ρ1-ρ2)lnn]-(ρ1-ρ2)ρ1(lnn-lnn2)[ρ2lnn1-ρ1lnn2+(ρ1-ρ2)lnn]2Δn,(6)對(1)式兩邊微分得Δn=λ2dΔk,(7)將(7)式代入(6)式得Δc(Δk)=ρ1[ρ2lnn1?ρ1lnn2+(ρ1?ρ2)lnn]?(ρ1?ρ2)ρ1(lnn?lnn2)[ρ2lnn1?ρ1lnn2+(ρ1?ρ2)lnn]2λ2dΔk,(8)Δc(Δk)=ρ1[ρ2lnn1-ρ1lnn2+(ρ1-ρ2)lnn]-(ρ1-ρ2)ρ1(lnn-lnn2)[ρ2lnn1-ρ1lnn2+(ρ1-ρ2)lnn]2λ2dΔk,(8)由上式可知,只要測得條紋干涉級次的變化量Δk,就可以獲得濃度的變化量Δc。若液體初始濃度為c0,則現(xiàn)在濃度為c=c0+Δc?，F(xiàn)將λ=0.6328μm,n1=1.3816,n2=1.3330,ρ1=0.8000,ρ2=1.0000,d=20.0720mm分別代入(7)式、(8)式得Δn=λ2dΔk=0.63282×20.072×103Δk=1.576×10?5Δk,Δc(Δk)=34.383×1.576×10?5Δk=0.0542%Δk.Δn=λ2dΔk=0.63282×20.072×103Δk=1.576×10-5Δk,Δc(Δk)=34.383×1.576×10-5Δk=0.0542%Δk.干涉條紋級次每變化1,代表液體濃度變化0.0542%,在CCD數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)中,對一個條紋間距在空間上實現(xiàn)8細(xì)分處理,1/8個條紋間距的變化量代表液體濃度變化量為0.0542%×(1/8)≈0.007%。3cdp的檢測系統(tǒng)硬件主要包括信號采集與處理、微處理器和顯示器,如圖2所示。信號采集與處理將采集到的干涉條紋信號轉(zhuǎn)換成CCD上的位置信號,然后經(jīng)接口電路送入微處理器,微處理器根據(jù)(8)式計算出Δc,將結(jié)果送入顯示器顯示。CCD器件選用東芝公司生產(chǎn)的TCD141C型線陣CCD,它有5144個光電二極管,分奇、偶兩列,其中前128個和后16個為虛設(shè)單元和暗電流檢測單元,中間5000個為光敏單元,光敏二極管的尺寸為7μm,相鄰兩二極管的中心距為7μm,光敏陣列總長為35μm。在CCD視頻信號的二值化處理中,電壓比較器的閾值電平不是固定的,將測量信號送入兩路放大器,其中一路的輸出作為電壓比較器的輸入信號,另一路放大倍數(shù)小的輸出經(jīng)過濾波處理后作為比較器的基準(zhǔn)電平,而這一電平隨著CCD的輸出而浮動,從而消除了由于光源強度的波動帶來的測量誤差。4單模石英光纖實驗實驗用的傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。激光器用He-Ne激光器,波長為632.8nm,光纖選用單模石英光纖,直徑為1mm,L1、L2是兩片?8mm的微鏡頭,成像鏡頭是焦距為250mm的照相鏡頭。利用該實驗系統(tǒng),對配制濃度已知的酒精溶液進行了測量,結(jié)果如表1所示。該表中的測量數(shù)據(jù)是5次測量平均值,最大絕對誤差不超過0.01%。5干涉條紋誤差從測量結(jié)果看,測量值與實際值吻合得很好,絕對誤差不超過0.01%,完全可滿足實際應(yīng)用要求,說明該系統(tǒng)做到了消除光源強度波動的